Nghiên cứu kỹ thuật nạp năng lượng sử dụng sóng điện từ

Chương 3: Truyền năng lượng sóng điện từ sử dụng cảm ứng cộng hưởng - Nguyên cứu phương pháp truyền năng lượng sóng điện từ sử dụng cảm ứng cộng hưởng - Nguyên cứu các mạch cộng hưởng

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU 3

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC BẢNG BIỂU 5

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 6

ĐẶT VẤN ĐỀ 8

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG SÓNG ĐIỆN TỪ .10

1.1 Nội dung nghiên cứu 10

1.2 Cơ sở lý thuyết sóng điện từ 10

1.3 Các đặc điểm và tính chất của sóng điện từ 14

1.4 Sóng vô tuyến 15

1.5 Kết luận chương 18

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG SÓNG ĐIỆN TỪ 19

2.1 Nội dung nghiên cứu 19

2.2 Giới thiệu về truyền năng lượng không dây và lịch sử phát triển 19

2.3 Khái niệm và đặc điểm trường gần, trường xa 23

2.4 Một số phương pháp truyền năng lượng không dây ở trường gần và trường trung 28

2.4.1 Phương pháp liên kết cảm ứng từ 28

2.4.2 Truyền năng lượng bằng phương pháp cảm ứng điện từ 29

2.4.3 Một số ứng dụng của truyền năng lượng trường gần 33

2.5 Truyền năng lượng không dây với trường xa 34

2.5.1 Công nghệ chùm tia công suất, khoảng cách truyền và hiệu suất 34

2.5.2 Công nghệ truyền năng lượng bằng chùm tia Laser công suất cao 36

2.6 Kết luận chương 38

CHƯƠNG 3: TRUYỀN NĂNG LƯỢNG SÓNG ĐIỆN TỪ SỬ DỤNG CẢM ỨNG CỘNG HƯỞNG 39

3.1 Nội dung nghiên cứu 39

3.2 Dao động điện từ 39

3.3 Mạch cộng hưởng LC 42

3.4 Cấu trúc và nạp năng lượng pin Lion 47

3.5 Sơ đồ khối và nguyên lý nạp năng lượng cho Pin 50

3.6 Kết luận chương 51

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH NẠP NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG SÓNG ĐIỆN TỪ 52

4.1 Nội dung nghiên cứu 52

4.2 Yêu cầu thiết kế 52

4.3 Tính toán thiết kế 52

4.4 Thiết kế mạch thu, phát cộng hưởng cảm ứng điện từ 62

4.5 Thiết kế mạch nạp năng lượng 65

4.6 Chọn linh kiện điện tử 66

4.7 Kết luận chương 67

CHƯƠNG 5: ĐO ĐẠC NĂNG LƯỢNG TRUYỀN TRONG MẠCH THIẾT KẾ THỰC 68

5.1 Nội dung nghiên cứu 68

5.2 Đo dạng sóng cộng hưởng: 68

5.3 Đo điện áp mạch điện thực tế 70

5.4 Nạp năng lượng cho điện thoại, Note PC , laptop… 77

5.5 Đánh giá hiệu suất truyền… 77

5.6 Kết luận chương … 80

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

d l  Vector vi phân của đường cong, tiếp tuyến

với đường kính C bao quanh diện tích S m

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt Tên gọi tiếng Anh Tên gọi tiếng Việt

EHF Extremely High Frequency Tần số cực kì cao

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Bảng dải tần số sóng điện từ sử dụng trong sóng vô tuyến 17

Bảng 4.1 Giá trị điện dụng tụ xoay pF 54

Bảng 4.2 Giá trị điện cảm L(mH) 55

Bảng 4.3 Giá trị tần số cộng hưởng f(KHz) 56

Bảng 4.4: Bảng giá trị số vòng dây tương ứng giá trị cuộn cảm theo đường kính trong 58

Bảng 4.5: Bảng giá trị số vòng dây tương ứng giá trị cuộn cảm theo đường kính ngoài 59

Bảng 4.6: Bảng giá trị đường kính dây tương ứng số vòng dây tính theo thay đổi đường kính trong 60

Bảng 5.1: Bảng đo giá trị công suất thu theo khoảng cách 2 cuộn dây .79

Bảng 5.2: Bảng đo giá trị hiệu suất theo khoảng cách truyền 2 cuộn dây .80

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Dạng sóng điện từ truyền trong không gian 13

Hình 1.2 Các dải sóng điện từ 14

Hình 1.3: Phản xạ của tần điện ly của sóng ngắn 16

Hình 2.1: Mô hình truyền nạp năng lượng không dây sử dụng chùm tia lazer 37

Hình 3.1: Mạch cộng hưởng L-C lý tưởng 42

Hình 3.2: Mạch cộng hưởng L-C thực tế .43

Hình 3.3: Dao động tắt dần của mạch cộng hưởng L-C 44

Hình 3.4: Sơ đồ khối nguồn cung cấp 45

Hình 3.5: Sơ đồ khối mạch phát sóng điện từ 45

Hình 3.6: Sơ đồ khối mạch thu sóng điện từ 46

Hình 3.7: Mô hình truyền nạp năng lượng sóng điện từ .47

Hình 3.8: Dạng sóng điện từ truyền khi có vật cản 47

Hình 3.9: Hình ảnh nạp xả pin Lion 48

Hình 3.10: Cấu tạo pin Lion 49

Hình 3.11: Sơ đồ khối mạch nạp năng lượng cho pin 50

Hình 4.1 Cuộn cảm thiết kế theo dạng đĩa tròn 57

Hình 4.2: Mạch tạo nguồn khuếch đại dòng 62

Hình 4.3: Mạch cao áp tạo nguồn dao động cộng hưởng .63

Hình 4.4: Sơ đồ nguyên lý mạch phát sóng điện từ 63

Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý mạch thu sóng điện từ .65

Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý mạch nạp năng lượng không dây .66

Hình 4.7 : Các tụ điện thường thấy trên thị trường 67

Hình 5.1: Hình ảnh tổng thể mạch truyền năng lượng không dây 68

Hình 5.2: Máy đo tần số và biểu thị tần số bằng đồ thị 69

Hình 5.3: Tần số đo được khi ở vị trí cộng hưởng 69

Hình 5.4: Hình ảnh máy đo điện áp, dòng điện 70

Hình 5.5: Hình ảnh bóng đèn sáng khi khoảng cách 2 cuộn dây 5cm 70

Hình 5.6: Hình ảnh bóng đèn sáng khi khoảng cách 2 cuộn dây 10cm 71

Hình 5.7: Hình ảnh bóng đèn sáng khi khoảng cách 2 cuộn dây 15cm 71

Hình 5.8: Hình ảnh bóng đèn sáng khi khoảng cách 2 cuộn dây 20cm 72

Hình 5.9: Hình ảnh bóng đèn sáng khi khoảng cách 2 cuộn dây 25cm 72

Hình 5.10: Hình ảnh bóng đèn sáng khi khoảng cách 2 cuộn dây 30cm 73

Hình 5.11: Hình ảnh bóng đèn sáng khi đặt 2 cuộn dây lệch góc 45 độ 73

Hình 5.12: Hình ảnh bóng đèn sáng kém khi đặt 2 cuộn dây lệch góc 85 độ 74

Hình 5.13: Hình ảnh bóng đèn sáng nhất khi cộng hưởng 74

Hình 5.14: Hình ảnh bóng đèn không sáng khi khoảng cách 2 cuộn dây max 75

Hình 5.15: Hình ảnh bóng đèn sáng khi chưa đặt vật cản giữa 2 cuộn dây .75

Hình 5.16: Hình ảnh bóng đèn sáng khi đặt vật cản giữa 2 cuộn dây .76

Hình 5.17: Hình ảnh đồ thị điện áp khi khoảng cách 2 cuộn dây thay đổi .79

ĐẶT VẤN ĐỀ

Việc truyền, nạp năng lượng bằng dây dẫn đã gây nhiều phiền phức tốn kém tài nguyên cho các quốc gia Ngay cả một quốc gia cường quốc như Mỹ, truyền điện bằng dây dẫn là không tránh khỏi Người Mỹ đã tích cực xây dựng một hệ thống dây truyền điện năng bên dưới các thành phố lớn, và các cột để nâng đỡ dây ở các vùng ngoại ô

Với mong muốn tìm ra phương pháp tối ưu cho việc truyền dẫn, con người đã kết hợp các kiến thức từ xưa, nỗ lực nghiên cứu phát minh tìm ra các thành tựu mới, trong đó phải kể đến, năng lượng mặt trời, nguồn năng lượng vô tận

Thế kỷ XX là kỷ nguyên bùng nổ về các thành tựu khoa học, các phát minh về điện liên tiếp được công bố Cho đến một ngày, người ta nhận ra, cần

có một phương pháp khác, để thay thế việc truyền dẫn điện bằng dây, vốn tồn tại khá lâu Với mục tiêu có thể truyền điện đi thật xa mà không cần dây dẫn, con người lại tiếp tục nghiên cứu để chinh phục những cái mới

Tại Việt Nam, nghiên cứu về truyền dẫn điện, đặc biệt là truyền điện không dây vẫn còn là mới mẻ với rất nhiều người, vẫn còn tồn tại rất nhiều cột chống đỡ các dây truyền dẫn Chúng ta dễ dàng tìm thấy các hình ảnh dây điện chằng chịt tại Việt Nam và một số quốc gia trong khu vực Đông Nam Á

Nhiệm vụ luận văn

Luận văn này giúp cho người thực hiện có thể tiếp cận được các ý tưởng mà trên thế giới đang nghiên cứu Thông qua một mô hình nhỏ, chúng ta

sẽ rút ra cho bản thân mỗi người một ý tưởng chung, một hướng đi riêng

về kỹ thuật truyền tải v à n ạ p năng lượng sử dụng sóng điện từ Trong giới hạn của Luận văn này chỉ có thể tìm ra cách để truyền tải điện và thực hiện nạp năng lượng sử dụng sóng điện từ ở khoảng cách gần

Luận văn đặt ra các nội dung sau:

Chương 1: Cơ sở truyền năng lượng sử dụng sóng điện từ

- Nghiên cứu cơ sở hình thành sóng điện từ

- Nghiên cứu đặc tính sóng điện từ

Chương 2: Các phương pháp truyền năng lượng sử dụng sóng điện từ

- Nghiên cứu các phương pháp truyền năng lượng sử dụng sóng điện từ

- Tính toán độ khả dụng chọn phương pháp truyền năng lượng không dây sử dụng sóng điện từ để nghiên cứu

Chương 3: Truyền năng lượng sóng điện từ sử dụng cảm ứng cộng hưởng

- Nguyên cứu phương pháp truyền năng lượng sóng điện từ sử dụng cảm ứng

cộng hưởng

- Nguyên cứu các mạch cộng hưởng điện từ L-C

- Nghiên cứu mạch nạp năng lượng

Chương 4: Tính toán, thiết kế mạch nạp năng lượng không dây sử dụng sóng

điện từ

- Thiết kế, chế tạo một máy phát, thu từ trường dùng điện năng ở một

khoảng tần số nhất định, biến đổi điện năng ấy thành từ trường phát ra ngoài môi trường không khí

- Tính toán thiết kế mạch nạp năng lượng không dây sử dụng cộng hưởng Chương 5: Đo đạc năng lượng truyền trong mạch thiết kế thực

- Đo tần số cộng hưởng, dạng sóng cộng hưởng

- Đo điện áp máy thu theo khoảng cách thu phát

Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên vẫn có nhiều thiếu sót cần bổ sung và phát triển mong quý thầy cô, bạn đọc đóng góp ý kiến

Tác giả xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong viện Điện tử viễn thông Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội, các bạn lớp CH14A đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho đề tài này Đặc biệt tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Thầy

-giáo TS.Lâm Hồng Thạch đã hướng dẫn tận tình cho tác giả hoàn thành đề tài

này

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội năm 2016

CHƯƠNG 1

CƠ SỞ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG SÓNG ĐIỆN TỪ

1.1 Nội dung nghiên cứu

Trong nội dung chương này tập chung nghiên cứu lý thuyết cơ sở hình thành sóng điện từ theo các định luật cơ bản Maxwell, nghiên cứu làm rõ các đặc tính sóng điện từ là tiền đề khoa học minh chứng sóng điện từ có khả năng truyền, nạp năng lượng sóng điện từ trong không gian

1.2 Cơ sở lý thuyết sóng điện từ

 Các luận điểm chính của Maxwell

Luận điểm thứ nhất: Tại một điểm bất kỳ trong vùng không gian, nếu

có từ trường biến thiên theo thời gian thì vùng không gian đó sẽ xuất hiện điện trường xoáy

Luận điểm thứ hai: Bất kỳ một điện trường nào biến thiên theo thời gian

cũng sinh ra một từ trường xoáy

Như vậy lý thuyết của Maxwell cho ta thấy rằng tại một điểm trong không gian, có từ trường biến thiên theo thời gian thì vùng không gian đó sẽ xuất hiện điện trường xoáy và ngược lại Cứ như vậy, điện từ trường luôn

tồn tại đồng thời, chuyển hóa lẫn nhau và lan truyền trong không gian dưới

dạng sóng, gọi là sóng điện từ

 Phương trình Maxwell

Các phương trình Maxwell bao gồm bốn phương trình, đề ra bởi James Clerk Maxwell, dùng để mô tả trường điện từ cũng như những tương tác của chúng đối với vật chất Bốn phương trình Maxwell mô tả lần lượt:

 Điện tích tạo ra điện trường như thế nào (định luật Gauss)

 Sự không tồn tại của vật chất từ tích

 Dòng điện tạo ra từ trường như thế nào (định luật Ampere)

 Từ trường tạo ra điện trường như thế nào (định luật cảm ứng Faraday)

Đây cũng chính là nội dung của thuyết điện từ học Maxwell

Bảng tóm tắt các phương trình và khái niệm cho trường hợp tổng quát

Định luật Gauss cho từ

trường ( sự không tồn tại của

Định luật Ampere( với sự bổ

sung của Maxwell)

e

 là hệ số cảm ứng điện của môi trường

m

 là hệ số cảm ứng từ của môi trường

 là hằng số điện môi của môi trường

 là hằng số từ môi của môi trường

Khi hai hằng số  và  phụ thuộc vào cường độ điện trường và từ trường, ta

có hiện tượng phi tuyến

Trong môi trường tuyến tính, vectơ phân cực điện P (C m/ 2) và vectơ phân cực từ M (A/m) cho bởi:

Trong môi trường không tán sắc (các hằng số không phụ thuộc vào tần số của sóng điện từ), và đẳng hướng (không biến đổi đối với phép quay), ε và μ không phụ thuộc vào thời gian, phương trình Maxwell trở thành:

E 

  

(1.5) H 0

và μ không đổi theo không gian, và có thể được đưa ra ngoài các phép đạo hàm theo không gian

Trong môi trường chân không hay môi trường tuyến tính, đồng đẳng (không biến đổi theo phép quay và phép tịnh tiến), không tán sắc, với các hằng số 0 và 0 (hiện tượng phi tuyến trong chân không vẫn tồn tại nhưng chỉ quan sát được khi cường độ ánh sáng vượt qua một ngưỡng rất lớn so với giới hạn tuyến tính trong môi trường vật chất)

.E 

  

(1.11) .H 0

sự truyền sóng điện từ trong chân không, vận tốc truyền sóng là:

Kí hiệu Tên Giá trị Đơn vị trong hệ SI

Vậy khi một điện tích điểm chuyển động, nó sinh ra một điện trường và một

từ trường biến thiên, lan truyền trong không gian dưới dạng sóng Đó là sóng điện từ

Sóng điện từ là điện từ trường lan truyền trong không gian

Sóng điện từ di chuyển hay truyền theo hướng vuông góc với hướng dao động của cả vectơ điện trường (E) và từ trường (B), mang năng lượng

từ nguồn bức xạ đến đích ở xa vô hạn Hai trường năng lượng dao động

vuông góc với nhau (Hình 1.1) và dao động cùng pha theo dạng sóng sin

toán học Các vectơ điện trường và từ trường không chỉ vuông góc với nhau mà còn vuông góc với phương truyền sóng

Hình 1.1 Dạng sóng điện từ truyền trong không gian

 Nguồn phát sóng điện từ

Nguồn phát sóng điện từ (còn gọi là chấn tử) rất đa dạng, có thể là bất cứ vật nào tạo ra một điện trường hoặc từ trường biến thiên (tia lửa điện, dây dẫn điện xoay chiều, cầu dao đóng ngắt mạch điện…)

 Danh mục thang sóng điện từ

1.3 Các đặc điểm và tính chất của sóng điện từ

 Các đặc điểm của sóng điện từ

- Sóng điện từ mang năng lượng

Trường điện từ là một dạng vật chất đặc biệt phân bố liên tục trong không gian dưới dạng các sóng - hạt Trường điện từ mang năng lượng Năng lượng của trường trong một thể tích V bằng tổng năng lượng điện trường và năng lượng từ trường chứa trong đó

1 2

Sóng điện từ lan truyền trong không gian với vận tốc xấp xỉ 3 10  8m s/ , và đặc trưng bởi bước sóng 

83.10

c T

    (1.17) Trong đó:

Những đặc tính trên là cơ sở để xây dựng nên truyền, nạp năng lượng sử dụng sóng điện từ

 Các tính chất của sóng điện từ

Sóng điện từ có đủ các tính chất của sóng cơ học:

- Chúng có thể giao thoa với nhau

Sóng dài là sóng điện từ có tần số trong khoảng từ 3(kHz) ÷ 300(kHz),

bước sóng > 3000(m) Được dùng để thông tin dưới nước, và ít được dùng

để thông tin trên mặt đất, vì năng lượng của chúng thấp, không truyền được

đi xa

b Sóng trung

Sóng trung là sóng điện từ có tần số trong khoảng từ 300(kHz)

÷ 3000(kHz), bước sóng trong khoảng 3000(m) ÷ 200(m).Các sóng trung

truyền dọc theo bề mặt của trái đất Ban ngày chúng bị tầng điện li hấp thụ

mạnh, nên không truyền được xa Ban đêm, tầng điện li phản xạ các sóng

trung nên chúng truyền được xa Vì vậy ban đêm nghe đài bằng sóng trung

rõ hơn ban ngày

c Sóng ngắn

Sóng ngắn là sóng điện từ có tần số trong khoảng từ 3000(kHz)

÷ 30 000(kHz), bước sóng trong khoảng 200(m) ÷ 10(m) Các sóng ngắn có

năng lượng lớn hơn sóng trung Chúng phản xạ rất tốt trên tầng điện li, cũng

như trên mặt đất và mặt nước biển (giống như sóng ánh sáng)

Hình 1.3: Phản xạ của tần điện ly của sóng ngắn

d Sóng cực ngắn (vi sóng)

Sóng cực ngắn là sóng điện từ có tần số trong khoảng từ 30 000(kHz)

÷ 3 000 000(kHz), bước sóng trong khoảng 10(m) ÷ 0,01(m) Các sóng cực

ngắn có năng lượng lớn nhất, không bị tầng điện li hấp thụ hoặc phản xạ, có

khả năng truyền đi rất xa theo đường thẳng, và được dùng trong thông tin vũ

trụ Vô tuyến truyền hình dùng các sóng cực ngắn, không truyền được xa

trên mặt đất Muốn truyền hình đi xa, người ta phải làm các đài tiếp sóng

trung gian, hoặc dùng vệ tinh nhân tạo để thu sóng của đài phát

Tần số Bước sóng Tên gọi Viết tắt Công dụng

30 ÷ 300Hz

4 3

10 10 Km Tần số

cực kỳ thấp

ELF Chứa tần số điện mạng xoay chiều, các

tín hiệu đo lường từ xa tần thấp

30 ÷300kHz 10 1Km

Tần số thấp LF

Dùng cho dẫn đường hàng hải và hàng không

300kHz

÷3MHz 1Km100m

Tần số trung bình

MF

Dùng cho phát thanh thương mại sóng trung (535 – 1605 kHz) Cũng được dùng cho dẫn đường hàng hải và hàng không

3÷30MHz 100 10m Tần số cao HF

Dùng trong thông tin vô tuyến 2 chiều với mục đích thông tin ở cự ly xa xuyên lục địa, liên lạc hàng hải, hàng không, nghiệp dư, phát thanh quảng bá

30÷300MHz 10 1m

Tần số rất cao VHF

Dùng cho vô tuyến di động, thông tin hàng hải và hàng không, phát thanh FM thương mại (88 đến 108 MHz), truyền hình thương mại (kênh 2 đến 12 tần số từ

54 - 216 MHz)

300MHz ÷

3GHz 1m10cm

Tần số cực cao UHF

Dùng cho các kênh truyền hình thương mại từ kênh 14 đến kênh 83, các dịch vụ thông tin di động mặt đất, di động tế bào, một số hệ thống radar và dẫn đường, hệ thống vi ba và vệ tinh

3÷30GHz 10 1cm

Tần số siêu cao SHF

Chủ yếu dùng cho vi ba và thông tin vệ tinh

30÷300GHz 1cm 1mm

Tần số cực kì cao EHF Ít sử dụng trong thông tin vô tuyến

Bảng 1.1: Bảng dải tần số sóng điện từ sử dụng trong sóng vô tuyến

1.5 Kết luận chương

Sóng điện từ được xuất phát từ các luận điểm và hệ phương Maxwell

Dựa trên các đặc tính sau của sóng điện từ:

 Sóng điện từ mang năng lượng

 Sóng điện từ có đặc tính lan truyền

 Sóng điện từ có đặc tính tương tác

Những đặc tính trên là cơ sở để xây dựng nên truyền, nạp năng lượng sử dụng sóng điện từ, cũng là nội dung nghiên cứu các chương tiếp theo

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN NĂNG LƯỢNG

SỬ DỤNG SÓNG ĐIỆN TỪ

2.1 Nội dung nghiên cứu

Trong nội dung chương 2 tập chung nghiên cứu sự khác biệt truyền năng lượng sử dụng sóng điện từ với truyền thông tin Nghiên cứu các phương pháp truyền năng lượng sử dụng sóng điện từ Tính toán độ khả dụng chọn phương pháp truyền năng lượng sóng điện từ bằng cảm ứng cộng hưởng để nghiên cứu chương tiếp theo

2.2 Giới thiệu về truyền năng lượng không dây và lịch sử phát triển

 Truyền năng lượng không dây

Truyền năng lượng không dây hay truyền công suất không dây, WPT (Wireless Power Transmission) là quá trình truyền năng lượng trong một dạng nào đó xẩy ra trong một môi trường xác định, ở đó năng lượng được truyền dẫn theo một hướng từ một nguồn năng lượng đến một tải tiêu thụ mà không cần dây dẫn

Truyền năng lượng không dây khác với truyền thông tin không dây trong viễn thông (như radio, TV, Rada, Mobilephone ), ở đó thông tin ở bên phía máy phát tuy có lớn (cỡ W, KW ) nhưng được truyền đi mọi hướng, tín hiệu có thể nằm trong một dải tần xác định, công suất tín hiệu ở đầu thu thường rất nhỏ ( cỡ nW đến µW), sau đó tín hiệu ở đầu thu thường được khuếch đại và hồi phục lại thông tin ban đầu; còn trong lĩnh vực truyền năng lượng không dây thì truyền có định hướng, độ lớn năng lượng và hiệu suất truyền năng lượng là quan trọng nhất, ở đây tín hiệu mang năng lượng chỉ ở tại một tần số Phần lớn các hệ thống truyền năng lượng không dây thường dựa, phát triển định luật Faraday về

cảm ứng từ, một định luật cơ sở quan trọng về điện từ

- 1864: James Clerk Maxwell tổng hợp các kiến thức kinh nghiệm quan sát

được trước đó rồi thiết lập mô hình toán học về bức xạ sóng điện từ, đưa ra

hệ phương trình về bức xạ sóng điện từ, về sau gọi là phương trình Maxwell

- 1888: Heinrich Rudolf Hertz bằng thực nghiệm khẳng định về sự tồn tại của

sóng điện từ Đây có thể coi là kết quả khởi đầu về máy phát sóng điện từ để

truyền thông tin

- 1891: Nikola Tesla đã cải tiến máy phát sóng của Hertz, nhằm tạo ra máy

phát truyền năng lượng không dây Các nghiên cứu này được mô tả bằng phát minh No.454, 622, mang tên hệ thống về thắp sáng điện (System of

Electric Lighting)

- 1893: Tesla đã biểu diễn về sự thắp sáng không dây cho các bóng đèn huỳnh quang phốt pho tại triển lãm Chicago

- 1894: Tesla đã dùng năng lượng không dây bằng phương pháp cảm ứng điện

từ (wireless resonant inductive coupling) để thắp (nung) sáng các đèn dây tóc tại các phòng thí nghiệm (35 South Fifth Avenue, 46 E.Houston Street tại

- 1897: Guglielmo Marconi sử dụng trạm phát Radio để truyền tín hiệu mật

mã Morse qua một khoảng cách khoảng 6 km

- 1897: Tesla nộp hồ sơ lần thứ nhất đăng ký phát minh về các ứng dụng đầu tiên của ông liên quan đến truyền không dây

- 1901: Marconi truyền các tín hiệu vô tuyến qua đại dương Atlantic sử dụng thiết bị của Tesla

- 1902: Tesla đối chất phản đối Reginald Fessenden – phát minh giao thoa US

( U.S Patent Interference) No 21701 về hệ thống chiếu sáng lựa chọn tín hiệu không dây (System of Signalin (wireless)); chiếu sáng cho đèn nung

nóng dây tóc (incandescent)

- 1904: Tại hội chợ thế giới St Louis, một giải thưởng đã được trao tặng cho

một kết quả nghiên cứu ứng dụng thành công truyền năng lượng không dây

qua không gian cho mô tô bay với công suất 0,1 Mã lực (75W) đặt khoảng

cách là 30 m

- 1917: Tháp Wardenclyffe truyền năng lượng của Tesla bị ngừng hoạt động

vì không được cấp kinh phí tiếp từ chính phủ Mỹ

- 1926: Các nhà khoa học Nhật Bản Shintaro Uda và Hidetsugu Yagi xuất bản

bài báo có nội dung liên quan đến phát kiến về cấu trúc dàn angten “tuned

high-gain directional array”, sau này mang tên Yagi angten

- 1961: Wiliam C Brown công bố bài báo về phát triển khả năng về truyền

năng lượng không dây bằng chùm tia vi ba Đây là một mốc phát triển khá quan trọng của WPT

- 1964: Brown trình diễn trên báo CBS News mô hình máy bay trực thăng thu

công suất từ chùn tia viba đủ để có thể bay Từ năm 1969 đến năm 1975, Brown đã là Giám đốc kỹ thuật của chương trình JPL Raytheon, ở đó đã phóng và truyền thành công chùm tia 30 KW qua một khoảng cách 1 hải lý với hiệu suất đạt 84%

- 1968: Peter Glaser đề xuất truyền năng lượng không dây thu nhận từ Mặt

Trời sử dụng công nghệ chùm tia công suất (“Powerbeaming” technology) Đây được coi là thành quả đầu tiên miêu tả về vệ tinh năng lượng mặt trời

(Solar Power Satellite-SPS)

- 1971: GS Don Otto tại đại học Auckland, New Zealand đã phát triển một xe

điện bánh hơi được cung cấp năng lượng bởi hiện tượng cảm ứng

- 1975: Liên hợp truyền thông vũ trị Goldstone thực hiện các thí nghiệm

truyền không dây đạt tới hàng chục KW

- 1988: Một nhóm nghiên cứu về điện tử công suất do Prof Jonh Boys đứng

đầu tại đại học Auckland ở New Zeland, phát triển một bộ biến đổi (inverter) điện tử công suất sử dụng kỹ thuật và vật liệu mới và kết luận rằng truyền công suất cảm ứng có thể thực hiện được Bộ nguồn công suất không dây mẫu đầu tiên đã được thiết kế chế tạo Về sau công ty thương mại của Đại học Auckland, đã nộp đơn xin patent về công nghệ này

- 1990: Nhóm nghiên cứu của Prof John Boys phát triển công nghệ mới có

khả năng cung cấp công suất cho một số động cơ xe cơ giới từ cùng một vòng dây có công suất cảm ứng và chứng minh sự hoạt động độc lập của từng thiết bị, sau đó Auckland UniServices đưa ra bằng phát minh về công nghệ này

- 1996: Công ty Auckland UniServices phát triển hệ thống công suất cung cấp

điện sử dụng nguyên lý truyền công suất cảm ứng để nạp điện (charging) cho một số thiết bị điện tử với công suất khoảng từ 30-60 kW và cố gắng thương mại hóa ở New Zeland Nhóm Prof John Boys đã thực hiện sản phẩm IPT BUS mang tính thương mại đầu tiên trên thế giới tại Wakarewarewa, New Zeland

- 2001: Công ty Splashpower ở Anh Quốc đã sử dụng các cuộn dây cộng

hưởng trong một mặt phẳng để truyền hàng chục Watt vào các thiết bị gia dụng khác nhau, bao gồm cả đèn, điện thoại di động, PDA, Ipod.v.v

- 2004: Phương thức truyền công suất cảm ứng đã được sử dụng khá rộng rãi

cho nhiều công đoạn khác nhau, doanh thu đạt giá trị khoảng 1 tỷ USD đối với lĩnh vực vật liệu bán dẫn, LCD và chế tạo màn hình plasma

- 2007: Một nhóm nghiên cứu vật lý đứng đầu bởi Prof Marin Soljacies, ở

MIT, đã truyền năng lượng không dây để thắp sáng một đèn điện 60W với hiệu suất 40% ở khoảng cách 2m, sử dụng hai cuộn dây có đường kính 60

cm, họ đã phát triển lý thuyết một cách tường minh hơn

- 2008: Hãng Intel lặp lại các thí nghiệm gốc của Nikola Tesla trong năm 1894

và của nhóm Prof.John Boys trong năm 1988 bằng cách cấp điện không dây cho một bóng đèn ở khoảng cách gần đạt với hiệu suất 75%

- 2009: Một tổ hợp mang tên tổ hợp công suất không dây (Wireless Power

Consortium) tuyên bố họ đang hoàn thiện việc thiết lập tiêu chuẩn công nghiệp mới đối với quá trình nạp điện không dây bằng công nghệ cảm ứng công suất thấp

- 2009: Một mô hình điện phân tích đơn giản về hệ thống truyền năng lượng

cộng hưởng đã được đề nghị và áp dụng cho quá trình truyền năng lượng không dây cho một số loại thiết bị điện

- 2010: Tập đoàn Haier biểu diễn TV với màn hình LCD hoàn toàn không dây

đầu tiên trên toàn thế giới tại hội chợ CES 2010 trên cơ sở về các nghiên cứu của nhóm Prof Marin Soljacic’s về WPT và giao diện số không dây trong nhà (WHDI)

2.3 Khái niệm và đặc điểm trường gần, trường xa

Đây là những khái niệm liên quan đến các vùng truyền sóng của angten truyền thông đặc trưng Angten (hoặc aerial), bao gồm angten phát và angten thu, nó có thể phát hoặc thu các sóng vô tuyến điện từ, là một bộ biến đổi từ tín hiệu dòng điện sang bức xạ sóng điện từ và ngược lại

Sóng điện từ do angten phát ra có thể phân chia ra một số vùng miền khác nhau phụ thuộc cấu trúc của angten, tần số công suất của sóng và sự tương tác của chúng với không gian truyền sóng Thường người ta chia ra làm ba vùng:

Trường gần và trường xa (Near field and Far field ), giữa chúng là vùng chuyển tiếp (Transition zone) Sóng điện từ phát ra từ angten thể hiện đặc tính nổi trội

rất khác nhau trong mỗi vùng từ vị trí anten phát sóng Sự phân chia ra các vùng

là dựa trên bản chất của trường điện từ là hàm của khoảng cách từ nguồn phát Biên các vùng thường được đo bằng hàm của bước sóng Ở đây cần lưu ý rằng đặc tính về trường điện từ thay đổi ngay trong từng vùng và phụ thuộc vào cấu trúc từng loại anten sử dụng để truyền sóng Một số miền truyền sóng của một anten đặc trưng theo quan điểm đặc tính sóng và theo tỷ lệ kích thước giữa anten và bước sóng Như vậy từ hình trên chúng ta có thể thấy, miền trường gần (near field) có hai miền, miền không phát xạ (Non-radiative region), và miền mang đặc tính phá xạ (Radiative region) Độ lớn miền trường gần cỡ 1 bước sóng λ Miền trung gian cũng có khoảng cách 1λ Sau đó là miền trường xa, sóng điện từ ở đây truyền tự do trong không gian, sóng có thể phân cực hay không phân cực phụ thuộc vào đặc tính môi trường và tương tác giữa E và H

 Một số đặc tính truyền sóng trong miền trường gần và trường xa

Sóng điện từ bao gồm thành phần điện trường E và từ trường H, tùy theo đặc tính môi trường chúng ta có thể mang một số đặc tính: suy hao, tán sắc, phân cực

a) Trong miền trường gần

Mối quan hệ giữa E và H rất phức tạp, sóng có thể phân cực đồng thời theo nhiều cách tại cùng một vị trí không gian Trường điện từ trong miền trường gần đều là hàm của bước sóng hoặc khoảng cách

Miền trường gần tương tác (reactive) hoặc không phát xạ (non-radiactive):

Trong miền này mối quan hệ giữa E và H rất phức tạp, từng thành phần (E và H) có thể nổi trội trong mỗi điểm, các mối tương quan trái chiều cũng có thể xảy ra trong vùng trường gần Do vậy, rất khó hoặc không thể xác định chính xác mật độ bức xạ, khi tính bức xạ không những cần biết độ lớn của E, H mà còn cần biết phase của chúng Trong miền này trường điện từ không chỉ có xu hướng truyền phát hướng ra phía vùng trường xa phía ngoài, mà còn có thành phần phản ứng đối với sóng điện từ, nghĩa là bản chất của trường bao quanh angten là có tính rất nhậy cảm và có tương tác Sóng cũng bị hấp thụ trong miền này Ở gần angten, một phần năng lượng có thể truyền qua – lại và lưu trữ tại bề mặt gần angten Phần năng lượng này được truyền qua lại từ bề mặt angten tới vùng trường gần phản ứng bởi bức xạ điện từ với các hiệu ứng tĩnh từ và tĩnh điện biến đổi một cách rất chậm Do có một phần năng lượng lưu trú và dịch chuyển qua lại, và nếu như một trong hai hiệu ứng cảm ứng từ hoặc cảm ứng tĩnh điện trong miền trường gần phản ứng truyền năng lượng cho các điện từ trong vật dẫn của angten, thì phần năng lượng này sẽ bị suy hao mất mát

Miền trường gần phát xạ (reactive): Trong miền này không chứa các thành

phần trường phản ứng từ nguồn angten, vì có khoảng cách hơi xa tính từ bề mặt angten, do vậy sự liên kết ngược của các thành phần trường khác nhau bị hạn chế và do vậy sự lưu trữ một phần năng lượng biến đổi qua lại giữa các hiệu ứng cảm ứng từ và cảm ứng điện dung bị hạn chế và do vậy sự lưu trữ một phần năng lượng biến đổi qua lại giữa các hiệu ứng cảm ứng từ và cảm ứng điện

dung bị hạn chế Năng lượng trong miền trường gần phát xạ hoàn toàn là năng lượng phát xạ mặc dù đặc tính của điện trường E và từ trường H vẫn rấ khác so với miền trường xa Mối quan hệ giữa E và H cũng chưa miêu tả được tường minh

Miền trường gần định nghĩa theo bước sóng: Một định nghĩa chính xác hơn

được đưa ra trên cơ sở đặc tính truyền sóng Nếu khoảng cách truyền sóng giữa các angten phát và thu là lớn hơn 2D2/λ (trong đó D là kích thước của chiều lớn nhất của angten (phát) từ đó được tính là trường xa (miền Frauhofer diffraction)

và nếu khoảng cách đó là nhỏ hơn 2D2/λ, thì miền dưới giá trị này là miền trường gần (miền Fresnel diffraction) Miền phát xạ có đặc tính quan trọng vì trong miền trường xa thông thường biên độ của sóng giảm theo bậc 1/r, nghĩa là năng lượng tổng cộng trên đơn vị diện tích tại khoảng cách r từ angten phát tỷ lệ với 1/r2 Diện tích mặt quả cầu lại tỷ lệ với r2, do vậy năng lượng tổng cộng qua mặt quả cầu là không đổi Điều này có nghĩa là năng lượng trường xa có thể truyền đi đến khoảng các vô tận

Trường điện từ trong miền trường gần của một angten có cấu trúc cuộn dây với đường kính nhỏ thì thành phần từ trường H sẽ nổi trội Đối với angten có tỷ

số các kích thước r/λ là nhỏ thì trở kháng của cuộn dây là thấp và sóng có đặc tính chủ yếu là cảm kháng với trạng thái không đối xứng trong miền tương tác ngắn Giá trị trở kháng trong trường hợp này được ước lượng như sau:

và có đặc tính chủ yếu của trở kháng mang tính dung kháng với trạng thái không đối xứng trong miền tương tác ngắn Giá trị trở kháng khi này được ước lượng như sau:

W 60r

Z



 (2.2)

Trong thực tế thì các thành phần trường điện từ E và H luôn biến đổi và tương tác lẫn nhau, thường không thể tính được tường minh và cần phải dùng lý thuyết lượng tử

b) Trong trường xa

Mối quan hệ giữa E và H mang đặc tính sóng phân cực (phân cực thẳng đứng, ngang, tròn, ellips) truyền tự do, ở đó E và H luôn đi cùng nhau, tại mọi

thời điểm trong không gian Trong miền trường xa (Far filed) phân bố của

trường cùng với góc pha nào đó về cơ bản là không phụ thuộc vào khoảng cách

từ nguồn anten phát, và cũng không phụ thuộc vào cấu trúc anten Trở kháng cả sóng truyền trong vùng trường xa là tỷ số của độ lớn của điện trường trên từ trường, trong trường xa chúng có phase giống nhau Do vậy, trở kháng trong trường xa sẽ được định nghĩa như sau:

c, Theo quan điểm của thuyết lượng tử

Trên quan điểm của thuyết lượng tử về tương tác của sóng điện từ thì các hiệu ứng trường xa là do các photon thực tạo ra trong khi đó các hiệu ứng trường gần là do sự tương tác hỗn hợp giữa photon thực và photon ảo Các photon ảo kết nối các ảnh hưởng trường gần và tín hiệu lại với nhau, có các hiệu ứng khá phức tạp, nó xuất hiện ở khoảng cách ngắn hơn khoảng cách trường xa (miền trung gian) trong đó vai trò các photon thực gây ra là chủ yếu Xét một cách chi tiết hơn, một số hiện tượng truyền sóng không bình thường trong miền trường gần có liên quan đến một khái niệm vật lý, đó là hiện tượng liên quan đến các sóng evanescent truyền dọc theo bề mặt phân cách giữa kim loại – điện môi ( hay trong trường hợp cụ thể ở đây là giữa bề mặt anten và lớp không khí tiếp giáp anten Khi này có một lượng điện tích dao động khi chúng có sự kết giao với các trường điện từ Khi đó mật độ sóng điện sẽ biến đổi theo hàm mũ

với khoảng cách tính từ bề mặt kim loại (ở đây là bề mặt thanh anten) Các sóng evanescent này có khả năng kích thích một cách rất có hiệu quả với sóng điện

từ, nhất là trong vùng ánh sang nhìn thấy Một sóng evanescent là một sóng đứng trường gần phát sinh trên biên phân cách và với mật độ biến đổi theo hàm

mũ giảm dần tính từ biên phân cách

Các sóng Evanescent xuất hiện là một đặc tính quan trọng trong các phương trình sóng, và về nguyên tắc nó có thể xẩy ra ở bất cứ khung cảnh biên tiếp giáp nào liên quan đến phương trình sóng Trong kỹ thuật điện tử các sóng evanescent được quan sát thấy trong miền trường gần trong vùng cỡ 1/3 bước sóng cả bất cứ anten radio nào Trong quá trình hoạt động, anten phát ra trường điện từ vào xung quanh miền trường gần và một phần năng lượng của trường bị hấp thụ trở lại, phần năng lượng còn lại thì phát xạ ở dạng sóng điện từ vào không gian Trong lý thuyết của cơ học lượng tử, các lời giải sóng evanescent của phương trình Maxwell cho các thông tin liên quan đến hiện tượng xuyên hầm lượng tử Về mặt toán học các sóng evanescent được đặc trưng bởi một vector sóng, trong đó một hoặc một số thành phần vector có giá trị ảo Vì rằng vector có các thành phần ảo, nó có thể có một biên độ nhỏ hơn các thành phần thực Nếu góc tới vượt quá một giá trị góc tới hạn để có phản xạ, khi đó vector sóng của sóng phát có dạng như sau:

k = ky y + kx x = i y + x (2.5) Biểu thức này biểu thị một sóng evanescent với thành pần theo trục y là ảo

(ở đây α và β là các số thực và i biểu thị đơn vị ảo)

Thí dụ, nếu phân cực là thẳng, vuông góc với mặt phẳng sóng tới, khi đó trường điện của bất cứ sóng nào (sóng tới, phản xạ hoặc sóng phát) có thể biểu thị bằng biểu thức sau:

Ở đó α là hệ số suy hao và β là hệ số truyền Liên kết sóng evanescent được thể hiện rất cơ bản rõ nét đối với tương tác trường gần trong lý thuyết trường điện tử Phụ thuộc vào thành tố của nguồn phát xạ, sóng evanescent được nổi trội ở dạng hoặc là thành phần trường điện khi có đặc tính điện dung nổi trội hoặc trường có thành phần từ trường khi đặc tính từ cảm ứng nổi trội Không giống như trong vùng trường xa ở đó sóng đạt đến một trạng thái là sóng truyền trong không gian tự do mang đặc tính bức xạ với trở kháng của một không gian

tự do như biểu thức (2.3, 2.4) Sự liên kết sóng evanescent thường chỉ xảy ra trong miền trường gần phản ứng (Reactive near field) và như vậy nó có quan hệ mật thiết với tính chất của hệ vật liệu, nghĩa là quan hệ với các thành phần dòng điện cảm ứng và với diện tích có trong miền bề mặt vật liệu Mối liên kết (coupling) này tương tự như mối liên kết giữa các cuộn dây sơ cấp và cuộn dây thứ cấp của một biến thế hoặc giữa hai tấm của tụ điện dung Về mặt toán học, quá trình này giống như hiện tượng xuyên hầm không phải với các sóng điện từ

mà thay vì bởi các hàm sóng cơ lượng tử

2.4 Một số phương pháp truyền năng lượng không dây ở trường gần và

trường trung

Kỹ thuật truyền năng lượng không dây ở trường gần chỉ đạt một khoảng cách có thể so sánh với hoặc hơn một lần so với đường kính của angten phát (nguồn) phát, và có thể lên tới khoảng cách cỡ ¼ đến ½ bước sóng Năng lượng trường gần có đặc tính là không bức xạ, có một số mất mát bức xạ thường xẩy

ra Ngoài ra các mất mát trên điện trở môi trường cũng thường xuyên xuất hiện Truyền trường gần thường sử dụng nguyên lý cảm ứng từ, tuy nhiên cũng có khả năng sử dụng cảm ứng điện dung để truyền năng lượng Sau đây chúng ta xét một cách chi tiết hơn

2.4.1 Phương pháp liên kết cảm ứng từ

Truyền năng lượng thực hiện bởi liên kết cảm ứng từ đó chính là cảm ứng tương hỗ từ trong một biến thế điện (transformer) Đây là một ví dụ đơn giản nhất về truyền năng lượng không dây được dung sớm nhất Ở đây các mạch điện sơ cấp và thứ cấp không trực tiếp nối với nhau Nhược điểm chính của cách

này là khoảng cách truyền rất ngắn Hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp ở sát ngay

bên nhau, hoặc lồng vào nhau

Cảm ứng tương hỗ sẽ xuất hiện khi có sự thay đổi dòng điện trong một cuộn dây, khi đó sẽ có điện thế cảm ứng trong cuộn dây bên cạnh Đây là cơ chế làm việc quan trọng của transformator Nhưng nó cũng gây sự cảm ứng không mong muốn giữa các cuộn dây dẫn trong một mạch điện Hệ số cảm ứng M có giá trị giữa 1 và 0, nó có giá trị được tính bằng công thức sau:

M = k L L1 2 (2.8)

Ở đó k là hệ số hỗ cảm (coupling coefficient) với 0 ≤ k ≤1, L1 là độ cảm của cuộn dây sơ cấp và L2 là độ cảm của cuộn dây thứ cấp Điện thế trong cuộn dây sơ cấp (V1) được tính như sau:

Vs: thế hiệu rơi của cuộn dây thứ cấp

Vp: thế hiệu rơi của cuộn dây sơ cấp

Ns: số vòng trong cuộn dây thứ cấp

Np: số vòng trong cuộn dây sơ cấp

2.4.2 Truyền năng lượng bằng phương pháp cảm ứng điện từ

a, Truyền năng lượng theo nguyên lý cảm ứng điện từ cộng hưởng

Hiện tượng cộng hưởng điện có thể xẩy ra trong một mạch điện LC tại một tần số cộng hưởng khi mạch điện thỏa mãn một số điều kiện xác định Hiện tượng cộng hưởng này thường xẩy ra khi trở khàng giữa lối vào và lối ra gần bằng giá trị 0 và hàm truyền đạt cực đại, có giá trị bằng 1 Tại tần số cộng hưởng, các mạch điện sẽ phát ra tiếng kêu rung rú, và thường phát sinh ra điện thế lớn hơn điện thế cung cấp ở lối vào Hiện tượng này được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực truyền năng lượng không dây

Mạch điện chưa thành phần L và C, khi đặt một thế hiệu vào mạch điện thì sẽ có một trường điện từ sinh ra trong cuộn cảm L, trường này làm phát sinh dòng điện, dòng điện này sẽ nạp điện tích vào hai má của tụ điện, khi đầy điện tích sẽ có quá trình phóng điện tạo ra dòng điện, dòng điện này lại tạo ra từ trường trong cuộn cảm, quá trình này cứ lặp đi lặp lại Trong một số trường hợp cộng hưởng xảy ra khi giá trị cảm kháng bằng giá trị dung kháng và năng lượng điện dao động giữa từ trường của cuộn cảm và điện trường của điện dung Tại cộng hưởng thì trở kháng nối tiếp của hai thành phần là cực tiểu còn trở kháng song song là cực đại

Hiện tượng cộng hưởng được sử dụng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, như để dò tìm sóng (tuning) trong radio, và lọc sóng chỉ cho một tần số đi qua dung trong kỹ thuật đo lường Tại tần số cộng hưởng giá trị cảm kháng và dung kháng có độ lớn bằng nhau nêu ta có:

1

LC

  (2.11)trong đó  2 f , là tần số cộng hưởng có đơn vị là [Hz] L là cảm kháng có đơn vị là [H], C là điện dung có đơn vị là [F] khi sử dụng hệ đơn vị SI

b, Truyền năng lượng cộng hưởng

Truyền năng lượng cộng hưởng (Resonant energy transfer) hoặc liên kết cảm ứng cộng hưởng (resonant inductive coupling) là sự truyền năng lượng không dây trường gần giữa hai cuộn dây, chúng có cộng hưởng cao tại cùng một tần số Biến thế cộng hưởng là thiết bị thường được dùng để thực hiện việc này Trong số nhiều biến thế cộng hưởng thì loại biến thế cộng hưởng này có hệ số phẩm chất Q cao và thường không dùng lõi sắt dể loại trừ sự suy hao do lõi sắt gây ra Các cuộn dây trong biến thế công hưởng có thể nằm chung trong một khối cạnh nhau hoặc các cuộn dây nằm tách biệt ở hai khối thiết bị khác nhau Truyền năng lượng cộng hưởng bằng cách cấp dòng điện cho một cuộn dây, dòng điện này tạo ra từ trường dao động, nếu chỉ có một cuộn dây thì năng lượng dao động sẽ phát ra không gian xung quanh và mất dần năng lượng sau một số chu kỳ dao động Thế nhưng, nếu có một hoặc các cuộn dây khác nhau ở

gần hoặc cách xa một khoảng cách nào đó từ cuộn dây sơ cấp thì tại tần số cộng hưởng chung, các cuộn dây thứ cấp có thể lấy phần lớn năng lượng từ cuộn dây

sơ cấp trước khi chúng bị suy hao Các trường xuất hiện nổi trội ở đây là trường gần không phát xạ với các sóng evanescent như đã bàn ở trên

Năng lượng dao động sẽ truyền qua – lại giữa từ trường trong cuộn dây

và điện trường qua tụ điện tại tần số cộng hưởng Theo lý thuyết trường gần, dao động cổ điển này sẽ tắt dần với một tốc độ xác định phụ thuộc vào hệ số phẩm chất Q Sự mất năng lượng chủ yến do điện thế rơi trên điện trở kí sinh và

do phát xạ vào không gian, tuy nhiên nếu có một hay một số cuộn dây thứ cấp cắt ngang đường sức từ trường thì các cuộn này có khả năng hấp thụ phần năng lượng lớn hơn nhiều so với phần mất mát trong mỗi chu kì

Bằng cách này năng lượng được truyền đi Trong cuộn dây sơ cấp thường

có các thành phần L, C và R (điện trở kí sinh) do vậy hệ số phẩm chất được xác định như sau:

1 L Q

 (2.12)

Vì Q rất lớn, giá trị có thể lên đến 1000 với lõi không khí trong cuộn dây, chỉ cần có một phần nhỏ năng lượng trường dùng vào việc liên kết từ cuộn này đến cuộn kia để tạo ra hiệu suất cao Hệ số liên kết là tỷ phần của dòng chảy của cuộn sơ cấp cắt cuộn thứ cấp, và nó là hàm của kích thước hệ thống, giá trị của

hệ số liên kết nằm giữa 0 và 1

Theo các tác giả của nhóm Marin Soljacic phát minh trường cộng hưởng

của hai hệ thống 1 và 2 được biểu thị gần đúng bằng:

1 1 2 2

( , ) ( ) ( ) ( ) ( )

F r t a t F r a r F r , ở đó F 1 và F 2 là các mode riêng của hai hệ thống

1,2 riêng rẽ, và biên độ của trường là a1(t) và a2(t) trong một số trường hợp, đối với các mode thấp được biểu thị như sau:

Ở đó  2, 1 là các tần số riêng của hai hệ thống riêng biệt, 2, 1là các độ rộng miền cộng hưởng chứa các mất mát riêng phần (hấp thụ và phát xạ), k là

hệ số liên kết (coupling coefficient) Phương trình (2.13) biểu thị rằng tại tần số cộng hưởng 1 2và   1 2 các mode bình thường tổ hợp của hệ thống tách ra bởi 2k Năng lượng sẽ trao đổi như nhau giữa hai hệ thống tại thời gian П/k và gần như rất hoàn hảo, trừ phi đối với hệ có các mất mát Giá trị này là cực tiểu khi tốc độ liên kết nhanh hơn tốc độ mất mát (k 2) Để truyền năng lượng thường cần hệ thống có liên kết mạnh, khi đó cần thỏa mãn tỷ số 2

1 2

/ ( ) 1

Hiệu ứng “cảm ứng cộng hưởng điện từ” hoặc “liên kết cảm ứng cộng hưởng”

có vai trò quan trọng đặc biệt trong việc truyền năng lượng không dây Đặc biệt,

về sự phụ thuộc của hiệu suất vào khoảng cách truyền

Cảm ứng điện từ là một hiện tượng xảy ra rất phổ biến theo nguyên lý sau: khi một cuộn dây sơ cấp phát sinh từ trường vượt trội (predominantly) do dòng điện thì qua cảm ứng sẽ phát sinh một dòng điện trong một cuộn dây thứ cấp có trong không gian của từ trường của cuộn sơ cấp Tuy nhiên cường độ dòng điện xuất hiện trong cuộn dây thứ cấp còn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố,

và thông thường kết quả đạt được về phương diện độ lớn của quá trình truyền năng lượng không như mong muốn

Khi ứng dụng hiện tượng cộng hưởng tại tần số giống nhau ở hai cuộn dây thì hiệu suất truyền năng lượng có thể tăng lên đáng kể do có hiện tượng

“xuyên hầm của sóng điện từ mang năng lượng” tới cuộn thứ cấp Khi hiện tượng liên kết cộng hưởng xuất hiện thì trong hai cuộn dâu xuất hiện độ cảm ứng tương hỗ tại một tần số cộng hưởng, và dòng điện dạng hình sin cung cấp vào cuộn dây sơ cấp thường bị biến dạng dạng tín hiệu hình vuông hoặc một dạng tín hiệu quá độ có độ méo nào đấy, và như vậy tạo ra sự tương tác liên kết mạnh hơn trong hệ thống truyền năng lượng Bằng cách này một lượng công suất đáng kể có thể truyền không dây với tốc độ rất nhanh qua một khoảng cách

xa hơn sơ với lý thuyết truyền sóng trường gần cổ điển đã tính toán, khoảng cách truyền năng lượng thường đạt cỡ hàng đơn vị mét Không giống như các cuộn dây có nhiều lớp cuốn lên nhau trong các biến thế không cộng hưởng, các

cuộn dây dùng trong cảm ứng cộng hưởng, cả cuộn sơ cấp và thứ cấp, là các cuộn dây hình ống (solenoids) đơn lớp hoặc cuốn spiral trên một mặt phẳng với các điện dung nối tiếp, với cấu trúc tổ hợp này cho phép thành phần bên phía thu có thể điều chỉnh với tần số bên phần phát và giảm các mất mát

c, Truyền năng lượng không dây theo nguyên lý cảm ứng tĩnh điện (liên kết điện dung)

Trong hiệu ứng cảm ứng tĩnh điện hoặc liên kết điện dung thường cần một điện trường cao có gradient hoặc có điện dung vi phân giữa các điện cực (các điện cực này không được tiếp đất vì mặt đất có tính dẫn điện, chúng đã được treo lơ lửng lên phía trên mặt đất bằng các sợi dây cách điện) để truyền năng lượng không dây với sự chênh lệch về thế hiệu xoay chiều tần số cao truyền giữa hai tấm mặt phẳng tụ điện ( hoặc hai chốt dạng đĩa)

Như vậy, có thể thấy lực tĩnh điện qua môi trường tự nhiên dẫn điện có trong từ trường thay đổi có khả năng truyền năng lượng từ phần phát đến phía phần thu Đôi khi người ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng Tesla, đó là một trong những ứng dụng của dịch chuyển điện, nghĩa là đường dẫn của năng lượng điện qua không gian và vật chất khác với cơ chế chêch lệch điện thế rơi trên một dây dẫn

2.4.3 Một số ứng dụng của truyền năng lượng trường gần

Hiệu ứng cảm ứng điện từ, cảm ứng cộng hưởng điện từ được ứng dụng khá nhiều trong một số lĩnh vực khác nhau, ví dụ trong:

- Bộ chuyển đổi đèn huỳnh quang ca tốt lạnh (Cool Cathode Fluresent Lamp)

- Liên kết giữa các tầng của máy thu Radio super-heterodyne

- Biến thế cộng hưởng (Reasonant transfomers), ví dụ như cuộn dây Tesla, có thể tạo ra thế hiệu rất cao (có thể phát tia chớp điện hoặc không phát ra tia chớp)

- Tạo ra không những thế cao mà cả dòng cao dùng trong máy phát Vande Graaff

- Các hệ điện tử không dây Witricity, RFID và các thẻ thông minh không tiếp xúc

Một số kết quả thí nghiệm về truyền năng lượng không dây trường gần và trường trung bình có thể xem trong phần lịch sử phát triển ở phần trên

2.5 Truyền năng lượng không dây với trường xa

Phương pháp trường xa thực hiện cho khoảng cách xa, thường bằng chục

km trở lên trong đó khoảng cách lớn hơn rất nhiều so với kích thước của thiết

bị Như vậy dùng các phương pháp truyền năng lượng trường gần thì không thể truyền công suất đi xa Khác với truyền tín hiệu vô tuyến, ở đó tín hiệu mang cấu trúc thông tin với công suất rất bé, cỡ từ nW đến µW, ở tại đầu ra hiển thị (loa) ở thiết bị thu cần khôi phục lại dạng tín hiệu thông tin tiếng nối hai hình ảnh Còn trong trường hợp truyền năng lượng thì dùng dải tần cũng rất hẹp hoặc

ở tại một tần số, việc truyền (mật độ) công suất cao với hiệu suất thu được ở phía thiết bị thu là quan trọng nhất Để truyền năng lượng trường xa đến nay

người ta thường dùng công nghệ chùm tia công suất (powerbeaming technology), có nghĩa là tạo ra bức xạ ở dạng chùm tia có mật độ công suất cao,

rồi phóng về phía thiết bị thu Ở phía đầu thu có thiết bị angten thu, bộ chuyển đổi điện, rồi đưa ra mạng lưới điện chung Do các nguyên lý khác nhau nên cách xử lý và sử dụng công nghệ ở hai phương pháp truyền thông tin và truyền công suất không dây cũng rất khác nhau ở nhiều khía cạnh

2.5.1 Công nghệ chùm tia công suất, khoảng cách truyền và hiệu suất

a, Khái quát

Kích thước của các thiết bị phát và thu trong trường xa phụ thuộc chủ yếu vào khoảng cách truyền năng lượng, vào bước sóng sử dụng, sự hấp thụ, suy hao và tán xạ của môi trường đối với bước sóng của chùm tia sử dụng Các vấn

đề này không những đối với các chùm tia bức xạ radio, mà cả cho các chùm

Laser Điều kiện Rayleigh khẳng định rằng bất cứ sóng radio, sóng Viba, tia Laser nào sẽ lan truyền và dần suy hao, khuếch tán khi vượt qua một khoảng cách Angten phát càng lớn, hoặc cấu trúc Laser càng lớn so với bước sóng bức

xạ thì chùm tia càng chụm với mật độ cao, là hàm của khoảng cách và sự lan truyền càng ít ra các phía bên cạnh Truyền năng lượng bằng chùm tia Viba sẽ

có hiệu quả hơn truyền bằng chùm laser, vifnos sẽ ít bị suy hao do sự hấp thụ bởi môi trường (có hơi nước, mây mưa, bụi, plasma…)

Phương pháp thu năng lượng mặt trời từ vũ trụ, biến đổi sang dạng chùm tia Viba hay chùm tia Laser truyền về Trái đất, sau đó biến đổi thành năng lượng điện truyền đến nơi sử dụng Phương pháp này dùng vệ tinh năng lượng mặt trời (Solar Power Sateline – SPS) để thu năng lượng mặt trời, biến đổi sang chùm tia viba (laser) rồi truyền về Trái đất Ở phía thu, có angten chỉnh lưu biến đổi tia vi ba lại thành điện năng (DC, AC) rồi đưa đến nơi sử dụng Phương pháp tiếp cận này có nhiều ưu điểm nổi trội như năng lượng mặt trời trong vũ trụ có cường độ cao gấp 8 lần cường độ trên mặt đất, thiết bị SPS trên vũ trụ hầu như không cần bảo trì bảo dưỡng Ngoài vũ trụ, trên quỹ đạo GEO năng

lượng mặt trời hầu như có quanh năm, có hiệu ứng bơm gần như liên tục đưa

năng lượng xuống mặt đất rồi chuyển đổi thành điện một chiều hoặc xoay chiều

để dẫn đi đến nơi xa để tiêu thụ Hệ hống SPS yêu cầu điện tích nhỏ hơn khoảng 1/5 lần so với hệ thống thu năng lượng mặt trời trên mặt đất Một tấm panel PV hoạt động thường xuyên ở Mỹ sẽ cho trung bình từ 19 đến 56 w/m2 Còn một rectenna của SPS có thể cho liên tục 230 w/m2 Kích thước của rectenna yêu cầu

để thu 1w chỉ bằng từ 8.2% đến 24% của kích thước của PV trên mặt đất Một

hệ thống SPS có thể cấp năng lượng cho bất cứ một khu vực nào trên mặt đất,

cả vùng sâu vùng xa, các trạm quân sự trên các hải đảo xa… chỉ cần hướng angten phát năng lượng về vị trí mong muốn và đặt angten thu nơi mong muốn… Tuy nhiên phương pháp này cần đến nhiều giải pháp khoa học công nghệ cao tổ hợp lại đan xen vào nhau, cần chi phí lớn để phóng vệ tinh SPS lên quỹ đạo, chị phí ban đầu đắt tiền Hiện nay giá thành phóng tên lửa đưa vệ tinh SPS lên quỹ đạo khá lớn, vệ tinh càng nặng càng đắt Giá phóng hiện nay lên quỹ đạo LEO cỡ từ 6600 – 11000 USD/kg tùy từng hãng Theo ước tính trong tương lai giá thành vào khoảng 400 – 500 USD/kg để đưa lên quỹ đạo LEO là

có thể chấp nhận được Theo các số liệu thiết kế hiện nay thì một vệ tinh SPS có thể tạo ra 8.75 TeraWatt-Giờ (Tw.h) điện năng trong một năm hoặc 175 TW.h sau chu kỳ thời gian sống, ví dụ là 12 năm Theo giá điện năm 2006 là

0,22 USD/KW.h (giá ở Anh) thì một SPS có thể truyền năng lượng về vị trí đặt rectenna trên mặt đất là 1,93 tỷ USD một năm hay cho 38,6 tỷ USD trong khoảng thời gian sống của vệ tinh SPS Còn một SPS nhỏ kinh tế hơn cung cấp

4 GW thì có thể cho 154 triệu USD trong thời gian sống của nó Còn nếu giá điện là 5 cent như ở Bắc Mỹ hiện nay thì một SPS cho 5 GW vào mạng ở mặt đất trong vòng 20 năm thì sẽ cho số tiền là 43,3 tỷ USD

sử dụng thử nghiệm vào tháng 10 năm 2010, Nhật Bản quyết tâm đạt kết quả ứng dụng sau một số năm tới (dự kiến trước năm 2020)

2.5.2 Công nghệ truyền năng lượng bằng chùm tia Laser công suất cao

a, Một số ưu điểm nổi trội

Truyền bức xạ laser đơn sắc cho phép tạo ra các chùm tia có diện tích hẹp với năng lượng cao, có thể vượt qua một quãng đường xa Khi sử dụng các modul Laser – photovoltage bán dẫn tích hợp sẽ cho phép tạo ra sản phẩm nhỏ

và nhẹ, rất có ưu thế trong sự việc phóng lên vũ trụ và các ứng dụng khác Có khả năng hoạt động không có sự giao thoa với tần số radio gây kích động cho các hệ thống thông tin (wi-fi và cell phone) Một số ưu điểm nữa là có thể điều khiển sự tiếp cận, hướng chùm năng lượng laser phát rất cao đến mục tiêu theo

ý muốn, chứ không phải phát theo mọi hướng hoặc loe ra dạng hình nón khó tập trung năng lượng cao, khó điều khiển (như ở trường hợp viba)

b, Một số nhược điểm chính

Quá trình chuyển sang ánh sáng laser thường có hiệu suất thấp, mặc dù hiện nay có công nghệ mới sử dụng các hiệu ứng lượng tử có thể đạt hiệu suất cao hơn trước Việc biến đổi từ chùm tia laser sang năng lượng điện ở đầu thu cũng đạt hiệu suất không cao, với công nghệ hiện nay mới chỉ đạt hiệu suất cỡ

30% đến cỡ 40% Khi truyền qua tầng khí quyển thì chùm tia laser bị hấp thụ khá lớn Cũng giống như khi truyền viba, phương pháp này khi truyền cần trực tiếp từ máy phát đến mục tiêu theo đường thẳng, như vậy chỉ có thể truyền khi không có các vật cản ở ngang đường truyền

c, Vũ khí laser

Công nghệ chùm tia Laser công suất ao đã được nghiên cứu khám phá chủ yến cho các loại vũ khí quân đội hiện đại Vũ khí dùng năng lượng trực tiếp của laser – DEW (Directed Energy Weapon) năng lượng laser phát ra theo một chiều hướng đến mục tiêu để tiêu diệt, không cần các thao tác điều khiển gì khác Nó sẽ truyền năng lượng cực lớn đến mục tiêu để phá hủy do nhiệt lượng cao, có thể làm nóng chảy, đốt cháy hay phá hủy Hiện nay đã có một số loại vũ khí laser đang sử dụng, một số khác đang nghiên cứu, ngoài ra nhiều loại vũ khí mới đang được mô tả trong các tiểu thuyết viễn tưởng Năng lượng dùng trong chế tạo vũ khí laser có thể ở trong một số dạng sau:

- Bức xạ điện tử (cụ thể như tia viba và laser) (có tên là deadray hay rayguns)

- Dạng hạt khối lượng có năng lượng cao (vũ khí chùm hạt)

- Âm thanh (vũ khí âm thanh)

- Lửa ( vũ khí phun lửa)

Hình 2.1: Mô hình truyền nạp năng lượng không dây sử dụng chùm tia lazer

2.6 Kết luận chương

Kết thúc chương 2 giúp ta hiểu thêm truyền năng lượng không dây khác với truyền thông tin không dây

Hiểu rõ các phương pháp truyền năng lượng sử dụng sóng điện từ

 Truyền năng lượng sóng điện sóng điện từ bằng cảm ứng cộng hưởng

 Truyền năng lượng sóng điện sóng điện từ sử dụng sóng siêu cao tần

 Truyền năng lượng sóng điện sóng điện từ sử dụng sóng ánh sáng

Để hiểu rõ hơn phương pháp truyền năng lượng không dây sử dụng cảm ứng

cộng hưởng, chi tiết sẽ được trình bày trong chương tiếp theo

CHƯƠNG 3 TRUYỀN NĂNG LƯỢNG SÓNG ĐIỆN TỪ SỬ DỤNG

CẢM ỨNG CỘNG HƯỞNG 3.1 Nội dung nghiên cứu

Trong chương 3 nghiên cứu chuyên sâu phương pháp truyền năng lượng

sử dụng cảm ứng cộng hưởng Nghiên cứu mạch tạo dao động cộng hưởng L-C Nghiên cứu cấu trúc Pin lion, nguyên lý nạp xả pin, cấu trúc nguyên lý hoạt động mạch nạp pin

3.2 Dao động điện từ

Mạch dao động là 1 mạch điện gồm 1 cuộn cảm có độ tự cảm L mắc nối tiếp với 1 tụ điện có điện dung C thành 1 mạch điện kín Nếu điện trở của mạch rất nhỏ, coi như bằng không, thì mạch là 1 mạch dao động lí tưởng Tụ điện có nhiệm vụ tích điện cho mạch, sau đó nó phóng điện qua lại trong mạch nhiều lần tạo ra một dòng điện xoay chiều trong mạch

Khi đó trong mạch có 1 dao động điện từ với các tính chất:

- Năng lượng của mạch dao động gồm có năng lượng điện trường tập trung ở

tụ điện và năng lượng từ trường tập trung ở cuộn cảm

- Năng lượng điện trường và năng lượng từ trường cùng biến thiên tuần hoàn theo 1 tần số chung

- Tại mọi thời điểm, tổng của năng lượng điện trường và năng lượng từ trường

là không đổi, nói cách khác năng lượng của mạch dao động được bảo toàn

- Khi 1 từ trường biến thiên theo thời gian thì nó sinh ra 1 điện trường xoáy (là

1 điện trường mà các đường sức bao quanh các đường cảm ứng từ) Ngược lại khi một điện trường biến thiên theo thời gian nó sinh ra 1 từ trường xoáy (là 1 từ trường mà các đường cảm ứng từ bao quanh các đường sức của điện trường)

- Dòng điện qua cuộn dây là dao động dẫn, dao động qua tụ điện là dao động dịch (là sự biến thiên của điện trường giữa 2 bản tụ)

- Điện trường và từ trường là 2 mặt thể hiện khác nhau của 1 loại trường duy nhất là điện từ trường

- Để phát sóng điện từ người ta mắc phối hợp 1 máy phát dao động điều hoà với 1 ăngten (là 1 mạch dao động hở)

- Để thu sóng điện từ người ta mắc phối hợp 1 ăngten với 1 mạch dao động có tần số riêng điều chỉnh được (để xảy ra cộng hưởng với tần số của sóng cần thu)

- Năng lượng của sóng tỉ lệ với bình phương của biên độ, với luỹ thừa bậc 4

của tần số Nên sóng càng ngắn (tần số càng cao, do λ= c/f ) thì năng lượng